近日，中國科學(xué)院生物物理研究所柳振峰研究組、章新政研究組與常文瑞/李梅研究組通力合作，聯(lián)合攻關(guān)，通過單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，在3.2埃分辨率下解析了高等植物(菠菜)光系統(tǒng)II-捕光復(fù)合物II超級(jí)膜蛋白復(fù)合體(PSII-LHCII supercomplex)的三維結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)研究工作于5月18日在《自然》(Nature)期刊作為長篇主題論文(Article)在線發(fā)表。
光合作用為地球上幾乎所有生命體提供賴以生存的物質(zhì)和能量，基于結(jié)構(gòu)的光合作用機(jī)理研究不僅具有重要的理論意義，同時(shí)也將為解決能源、糧食、環(huán)境等問題提供具有啟示性的方案。植物光合作用的原初反應(yīng)是從光系統(tǒng)II開始的，光系統(tǒng)II是由25個(gè)以上蛋白質(zhì)亞基以及眾多色素和其它輔因子組成的超大膜蛋白-色素復(fù)合物。該復(fù)合物中包含了天線系統(tǒng)、反應(yīng)中心系統(tǒng)以及一個(gè)能在常溫常壓下裂解水釋放氧氣的放氧中心。解析植物光系統(tǒng)II神秘而復(fù)雜的精細(xì)結(jié)構(gòu)將有助于理解該超分子機(jī)器的工作原理，也是結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究領(lǐng)域中多年來一直追求的熱點(diǎn)和難點(diǎn)課題，并且是光合作用研究領(lǐng)域中眾所期盼的一個(gè)超大膜蛋白-色素復(fù)合體三維結(jié)構(gòu)。
在對(duì)高等植物光系統(tǒng)II超大膜蛋白復(fù)合物樣品的分離制備和晶體學(xué)研究方法長期探索的基礎(chǔ)上，該研究團(tuán)隊(duì)及時(shí)引進(jìn)并應(yīng)用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，通過聯(lián)合三個(gè)課題組的優(yōu)勢(shì)科研力量并發(fā)揮各自的特長，團(tuán)結(jié)奮戰(zhàn)，協(xié)作攻關(guān)，以最高的效率在較短的時(shí)期內(nèi)取得了突破性進(jìn)展，高質(zhì)量完成了該項(xiàng)具有高度挑戰(zhàn)性的國際前沿研究課題。
此次所解析的菠菜PSII-LHCII超級(jí)復(fù)合物的總分子量約1.1兆道爾頓(megadalton)(1,100 kDa)，形成了一個(gè)同質(zhì)二聚體的超分子體系。每個(gè)單體中包含了25個(gè)蛋白亞基、105個(gè)葉綠素分子、28個(gè)類胡蘿卜素分子和眾多的其它輔因子。研究結(jié)果首次揭示了這一高度復(fù)雜的超分子體系的總體結(jié)構(gòu)特征和各亞基的排布規(guī)律。
在每個(gè)菠菜PSII核心復(fù)合物的外周，結(jié)合了主要捕光復(fù)合物L(fēng)HCII三聚體，以及分子量分別為29 kD和26 kD的次要捕光復(fù)合物CP29和CP26。該項(xiàng)工作首次解析了CP29的全長結(jié)構(gòu)和CP26的結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)了這三個(gè)不同外周捕光復(fù)合物與核心復(fù)合物之間相互裝配和識(shí)別的機(jī)制和位點(diǎn)。在準(zhǔn)確指認(rèn)了外周捕光復(fù)合物與核心復(fù)合物界面上的三個(gè)小亞基的基礎(chǔ)上，合理解釋了它們?cè)诮閷?dǎo)二者之間裝配以及穩(wěn)定超級(jí)復(fù)合物方面的作用。
外周捕光復(fù)合物為光系統(tǒng)II核心復(fù)合物提供激發(fā)能，而二者之間的能量傳遞途徑多年來一直未能得到精確解析。在對(duì)菠菜PSII-LHCII超級(jí)復(fù)合物內(nèi)部高度復(fù)雜的色素網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，首次揭示了LHCII、CP29以及CP26向核心天線復(fù)合物CP43或CP47傳遞能量的途徑。同時(shí)，還對(duì)在光保護(hù)過程中發(fā)揮作用的潛在能量淬滅位點(diǎn)進(jìn)行了定位。研究結(jié)果對(duì)于進(jìn)一步在分子水平理解PSII-LHCII超級(jí)復(fù)合物中的能量傳遞時(shí)間動(dòng)力學(xué)和光保護(hù)機(jī)理具有重要意義。
該工作由生物物理所三個(gè)課題組共同完成，博士研究生魏雪鵬和助理研究員蘇小東為該項(xiàng)工作的共同第一作者。該研究工作得到了中科院B類先導(dǎo)“生物超大分子復(fù)合體的結(jié)構(gòu)、功能與調(diào)控”專項(xiàng)、科技部“973”重大科學(xué)問題導(dǎo)向項(xiàng)目“光合作用與‘人工葉片’ ”和自然科學(xué)基金的共同資助，研究員柳振峰和章新政得到了國家“青年千人計(jì)劃”的資助和支持。該項(xiàng)工作得到生物物理所生物成像中心、 國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心(上海)、生物物理所蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺(tái)等有關(guān)工作人員的大力支持和幫助。
菠菜PSII-LHCII復(fù)合物整體結(jié)構(gòu)（頂視圖）
